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轉向架

轉向架（英語：bogie，在美國稱為：truck[1]），又稱台車（來自日語：台車），鐵道車輛上最重要的部件之一[2]:30，由於位於車輛底部，因此一般很難可以看清全貌[3]:56，主要功能為承載車體自重和載重[4]，以及引導車輛沿鐵路軌道運行[5]，確保車輛在直線上和曲線上順利行駛[6]:19，並具有減緩來自車輛運行時帶來振動和衝擊的作用[7]:144，因此轉向架的設計也直接決定了車輛的穩定性和車輛乘坐的舒適性[8]:70[9]。

轉向架
轉向架引導車輛運行作動圖

概要

轉向架是由車軸、軸承[10]:148、轉向架框、懸吊系統、驅動裝置[8]:70、制軔裝置、傳動單元等裝置組成[10]:148，按照支撐方式分成了三種類型，有兩軸車、平台車及連接車[11][12]:134，早期大多車輛採用兩軸車，但是兩軸車的舒適性不高[13]以及受限軸距因素，每輛車長度較短[14]:72，因此現今大多採用可加車體延長的平台車[11]。而連接車可以減少轉向架的數量與列車重量，但受限軸距因素，每輛車長度無法太長，因此車輛長度較短[註 1][8]:70，因此部分輕量化的列車有採用[11]。

轉向架對於車體以及軌道間具有密切的相互影響，轉向架不只是支撐車體的工具[6]:19，還肩負了列車行進運行[9]、乘坐舒適度以及行車安全[5][15]。

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    兩軸車
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    平台車
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    連接車

簡史

轉向架的雛形最早出現於1820年代的馬車軌道，在當時為了提升馬車的舒適度，因此開始裝設防震結構[5]，為了能讓車輛能夠順利通過彎道，1821年由英國威廉·查普曼 （William Chapman）工程師研發出類似轉向架的結構。1832年美國鐵路運輸需求急速提升，於1834年美國工程師羅斯·溫南斯（Ross Winans）成功重新開發出可大負重，並且能夠高速行駛的轉向架 [16]。

轉向架的類型

基本類型

兩軸車最早是由馬車改造而成的[1]，將木製車輪改成可行駛於鐵道上的鋼製車輪[17]，是所有轉向架中構造最簡單的，構造與馬車相同利用兩個板簧支撐車軸與車廂，在由車軸與車輪支撐車輛的所有重量[17]，車輛的大小大多也與馬車相同[1]，且一般皆為拖車車廂，僅有少數路面電車設有動力系統[18]，也是所有轉向架中沒有轉向架框的結構。平台車是現今最主流的轉向架類型，並且能裝設更多的車軸[19]，增加車輛的乘載重量[17]，亦是所有轉向架中種類最多，舒適度高[4]，且能載重最大的類型[18]。連接車又稱關節式轉向架、雅各式轉向架或連接台車（來自日語：連接台車），其支撐方式為將相鄰的車廂用同一個轉向架連接起來[20]，在二十世紀初期的時候曾被大量採用，但因車廂要分開或加掛時，都必須進入鐵路機廠作業等因素，因此漸漸又減少使用[19]，而連接車構造除二次懸吊的部分與平台車不同，其餘大致與平台車相同[13]。

輪軸的數目

可分成單軸、雙軸、三軸等[6]:21。大型的特種貨車大多採用更多個輪軸轉向架，或是多個轉向架相連的轉向架群。以雙軸最常使用，三軸大多用於大型動力機車或是貨車[14]:72，三軸的結構複雜且不利於軌道運行的順暢性，因此很少使用於客車車廂[2]:36。單軸大部分是雙軸車使用，僅少數平台車或連接車有採用。另外也有鐵路機車採用罕見的四軸轉向架，如DD35型柴油機車

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    單軸
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    雙軸
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    三軸
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    四軸

有枕樑或無枕樑

枕樑又稱「承梁」[21]，現今大多車輛採用零件數少，較易維修的無枕樑式的轉向架[12]:135。枕梁主要吸收列車的前後或左右的震動[12]:136－137，以及列車過彎時的超高及離心力，列車在過彎時枕梁會因離心力發生位移，通過彎道後再次復原[13]。而有枕樑轉向架又細分搖枕式與直接安裝式[7]:147－148，其中搖枕式是所有轉向架中零件最多、構造最複雜以及各種耗材最多的型式，詳細構造如下圖。直接安裝式是由搖枕式改良而來[22]，是近年少數車輛出廠時仍是採用有枕樑轉向架的車輛會採用的型式[7]:147－148。有枕樑轉向架現今已漸漸被無枕樑轉向架取代，其因為無枕樑轉向構造簡單可輕量化[20]、空氣彈簧容許旋轉的範圍比枕梁多元[3]:59、乘坐舒適度高[21]等優點，因此現今大多車輛採用無枕樑式的轉向架[7]:147－148[8]:82－83。此種類型僅有平台車才有區分，兩軸車與連接車無此構造[13]。

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    有枕樑轉向架（直接安裝式）
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    直接安裝式轉向架作動圖
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    搖枕式轉向架實體圖
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    搖枕式轉向架作動圖
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    搖枕式轉向架構造圖
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    無枕樑轉向架

有動力或無動力

主要差在轉向架使否裝有動力設備，裝有動力設備為有動力轉向架[22]，若無安裝則為無動力轉向架[6]:21。

有動力轉向架備有減速齒輪、動力裝置的轉向架，電力列車裝有主電動機的電動轉向架[23]:1000。舊型電力機車因配置有輔助輪與動力輪，因此有動力的稱為「主轉向架」[23]:1000。無動力轉向架一般用於客車、貨車以及動車組的拖車[23]:1000[23]:1002。一般皆設有制軔設備（制動系統）[5]。一般動車組或是動力機車透過拖動比調配也會使用到無動力轉向架。但是，通常在蒸汽機車和舊型電力機車的前後，為了增加通過曲線時能夠平穩運行，此種轉向架稱為「引導輪」或「從動輪」[23]:1000。在一些蒸汽機車中，它被稱為助推器，少數情況是將小型蒸汽機的驅動裝置安裝在後輪上，僅用於啟動時的加速輔助，但這不包括在驅動輪[5]。

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    有動力轉向架
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    無動力轉向架

有無列車傾斜功能

主條目：傾斜式列車

有傾斜功能的傾斜式列車，通過一般彎道時會以較快速度行駛[24]:46－47，可以節省行駛時間以及乘車舒適度[2]:38。一般轉向架則無法提高過彎時的行駛速度，詳細原理請參見傾斜式列車。

依照傾斜原理可分：自然傾斜式、強制傾斜式以及自然控制傾斜式[24]:46－47。

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    一般轉向架
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    傾斜式列車專用轉向架
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    傾斜式列車專用轉向架（連接車專用）

轉向架的構造

車軸

車軸一般使用高韌度的鋼鍛造而成[19]，主要連接與固定兩側車輪，並將所有重量傳遞給車輪，車軸的尺寸越粗可乘載的重量越大，尺寸越細列車種重量越輕，可提升列車行駛速度[8]。一個車軸固定裝有一對車輪，並透過軸箱、懸吊系統等結構與車廂連接[4]。

軸箱支撐架

軸箱（英語：Axle box[2]:30）主要用來支撐車體與車軸重量[2]:33，並將輪軸保持在轉向架框內的適當位置[8]:79，軸箱箱支撐方法五花八門，詳細如下：

  • 軸箱導架式：零件最多，構造最複雜型式，容易發生車軸蛇行，造成列車激烈震動，此種支撐方式在橡膠彈簧問世之前最廣泛用於各種車輛[2]:30。
  • 圓錐多層橡膠式：利用圓錐橡膠彈簧吸收上下震動[2]:30。
  • 阿爾斯通式：又稱雙連桿式，透過兩側的樑作為連結，透過軸簧緩衝，此種類型由阿爾斯通發明[8]:78。
  • 多層橡膠式：又稱雪弗龍式，利用多層橡膠承受上下的剪斷力[8]:78。
  • 單連桿式：由阿爾斯通式改良型，以一根連趕支撐軸箱與轉向架[8]:78。
  • 支撐板式：由兩片版彈簧黃固定軸箱與轉向架。此種方法可減少轉向架長度[8]:78。
  • 軸板彈簧式：又稱明登式，軸箱兩側裝有臥式鋼板彈簧，並與轉向架架相連支撐。板簧的翹曲抑制垂直運動。此種類型是由德國發明[12]:146－147。
  • 軸樑式：零件最少，構造最簡單，廣泛用於現代各種車輛[8]:78[12]:146－147。利用橡膠襯套進行緩衝作用，由於軸圍繞軸樑的支點旋轉，因此車軸與轉向加框的距離會隨着軸的上下震動而變化[5]。
  • 圓筒軸橡膠式：又稱Tandem 式，由日本車輛研發，在各方向的剛性有很高的自由度，主要用於高速行駛的車輛[25]:23－24。
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    軸箱導架式
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    圓錐多層橡膠式
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    阿爾斯通式
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    多層橡膠式
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    單連桿式
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    支撐板式
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    軸板彈簧式
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    軸樑式
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    圓筒軸橡膠式

懸吊系統

又稱為避震系統[5]，主要用於吸收列車的震動與衝擊[11]。

  • 主懸吊系統：又稱一次懸吊[10]:150[11]、軸簧[21][8]:79或一次簧[26]:45，主要連結軸箱與轉向架框，負責吸收大部分行進間的震動、碰撞以及噪音[8]:79[26]:45。一般使用金屬卷簧，但也有使用橡膠簧、合成橡膠金屬簧、板簧等[8]:79[2]:41。
  • 次懸吊系統：又稱二次懸吊[10]:150[11]、枕簧[21]或二次簧[8]:83，主要連接車體與轉向架框，用於減少轉向架與車體間的碰撞[2]:43，承受車體垂直負荷、橫向負荷及旋轉運動[26]:47。可大幅提升乘車舒適度。過去使用卷簧與阻尼器組合為主[8]:83，現今改採用舒適度高的空氣彈簧[3]:61[27]。

轉向架框

轉向架框為車軸、車體、動力系統、制軔系統、懸吊系統等設備安裝之框架[21]，早期使用型鋼與鉚釘鉚接製作，後來改以鑄鋼製造，近年則採用鋼板衝壓成型焊接製造[8]:81[28]:97，除兩軸車無此結構，其餘支撐種類皆有此結構[19]。

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    轉向架框

轉向架框依照形狀可分成以下類別：

  • 菱形式轉向架：轉向架架側面形狀為菱形之車架，軸箱由扁鋼組裝而成，其上設有枕簧座，並附有搖枕和輪組。 之所以有這個名字，是因為轉向架框架的形狀是菱形[23]:1002。
  • 弓形條板菱形轉向架：1920年代的貨車和部分客車採用。車架的主要構件為拱形，固定式軸箱[23]:1002。
  • 貝騰多夫式轉向架：（英語：Bettendorf truck），由美國發明，用於固定軸式貨車，提高拱桿的強度和剛度。 有些是由早期成型鋼材組裝而成的，為了提高了批量生產效率，有些是整體鑄造的。是貝騰多夫公司的公開專利，種類繁多[29]。
  • 安德魯式轉向架：用於貨車。車架的形狀與鑄鋼製成的貝騰多夫式相似，但軸箱是分離的，軸箱夾在上下底架之間[20]。
  • 火神式轉向架：用於貨車。安德魯式簡化版本，軸箱設有1顆固定螺栓[29]。
  • 內框式轉向架：又稱側梁式或側架式，軸承位於車輪的內側，一般用於膠輪有軌電車或路面電車[30][31]。
  • 板架框式轉向架：框架由薄鋼板組裝而成。 自19世紀開始廣泛用於歐洲鐵路，甚至在二戰後歐洲製造商仍在製造，主要用於貨車。
  • 連桿式轉向架：由日本近畿車輛研發[32]，適合行駛於多小曲線彎道的路線，並且可減少行駛中的噪音[33]。
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    菱形式轉向架
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    弓形條板菱形轉向架
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    貝騰多夫式轉向架
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    內框式轉向架
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    內框式轉向架（有軌膠輪電車）

軸承

主條目：軸承

軸承具有支撐車軸旋轉，並保持車軸在正確位置，減少旋轉阻力的功能[8]:79。

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    鐵路車輛的軸承
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    鐵路車輛的軸承

驅動裝置

將列車動力源產生的旋轉力傳遞給車輪的裝置稱為驅動裝置[34]。

電力車
  • 主電動機動力驅動方式與懸掛方式：動力傳動裝置為將馬達的旋轉功率傳遞至輪軸裝置[8]:85－89。
  • 吊掛式：又稱為抱軸配置、軸懸式驅動方式、電車式、鼻懸式、半懸掛式驅動方式[12]:152－157，優點為輪軸組內大齒輪中心與馬達小齒輪中心之距離固定，安裝方便[35]:21—24，缺點為馬達一半重量由輪軸支撐，直接承受軌道衝擊力，因此馬達故障率較高，軸承震動大[26]:47。一般用於舊型電聯車、電力機車或柴電機車[35]:21—24。
  • 車體裝架式：又稱為萬向接頭式、體懸式驅動方式，利用傘型齒輪與萬向接頭傳輸動力[12]:152－157，一般用於低地版電車或是部分柴聯車[14]:186－188。
  • 半吊掛式：又稱為中空式，介於吊掛式與簧上懸掛式之間的方式[35]:21—24。
  • 連桿式：由半吊掛式改良而來，使用橡皮吸收車輪與齒輪間的變化量[35]:21—24。
  • 直接驅動式：將馬達軸與車軸作為一體，由電動機直接推動車輪[12]:152－157[14]:186－188，雖然機械損失小，但是轉子衝擊力大，馬達維護成本高[35]:21—24。
  • 簧上懸掛式：又稱為架懸式[35]:21—24[8]:85－89，依照不同驅動方式有以下類型。
柴油車、蒸汽機車
動力傳動裝置：就柴油車而言，發動機安裝在車體上，但將這種動力傳遞給輪對的部分稱為動力傳動裝置[34]。
減速齒輪、減速機：列車通過安裝在車輛上的發動機與車軸之間的減速齒輪將動力減速，並將旋轉力傳遞給車輪。 柴油車在轉向架上裝有減速齒輪，減速齒輪進一步降低了從推進軸上的液體變速機傳遞來的動力，從而將旋轉力傳遞給車輪[34]。
推進軸：從車身延伸到輪組的軸，用於傳遞懸掛在車身上的發動機的動力。 配備萬向節以吸收車身與輪對之間的位移[7]:181。
逆轉機：一種改變車輛行駛方向的裝置，逆轉齒輪組在減速器中進行轉向[34]。
  •  
    吊掛式。
  •  
    車體裝架式
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    布赫利驅動方式
  •  
    WN驅動方式
  •  
    TD驅動方式
  •  
    輪對空心軸驅動方式

制軔設備

主條目：鐵路制動

用於鐵道機車車輛的制動系統系統[1]，其主要作用是控制鐵道機車車輛的運行速度[13] 。一般有額外的主控制器，利用主控制器控制整列火車的制軔[1]。

制軔方式

  • 粘著制軔
    • 踏面制軔：是鐵道機車車輛最常用的制軔方式之一，依靠壓縮空氣推動制軔氣缸中的活塞，將空氣的壓力變成機械推力，使閘瓦緊壓滾動的車輪踏面而產生制軔[6]:24。
    • 碟式制軔：又稱為碟式制軔或是碟煞，主要由制動盤、制軔閘片和制軔鉗組成，制動盤安裝在車軸上隨同車輪旋轉，制軔鉗像鉗一樣橫跨在制動盤的兩側，制軔時用制軔鉗上的閘片壓緊制動盤，使閘片與制動盤摩擦而產生制軔作用[6]:24。
    • 液力制軔：液力制軔的原理是通過液體的阻力作用使車輛減速，列車的動能通過液力偶合器及工作介質轉換成熱能，再透過冷卻裝置消散到大氣。
    • 電阻制軔：利用牽引馬達作為發電機，將所發出來電透過電阻器轉換成熱能消耗掉[3]:67。
    • 再生制軔：利用牽引馬達作為發電機，將所發出來電透過集電弓返回變電站[8]:110，以供給同電區其他電車使用。再生電的電壓必須高過電車線電壓[35]:116。
    • 旋轉渦電流制軔：電磁感應進行制軔。渦電流剎車的主要優點是無機械磨損、制軔力在很大速度範圍內保持穩定，因此適用於重型汽車、高速列車、起重機械等場合[8]:111。
  • 非粘著制軔
    • 磁軌制軔：將磁鐵安裝於轉向架前後兩輪對之間的側梁下部，非作用時磁鐵懸掛在距離軌面適當高度，當制軔時磁鐵通過壓縮空氣或液壓控制裝置放下至軌面，並接通磁鐵使其以一定的吸力吸附在鋼軌上，使磁鐵底部的磨耗板與鋼軌摩擦而產生制軔作用[8]:111。
    • 渦電流制軔：電磁感應進行制軔。渦電流剎車的主要優點是無機械磨損、制軔力在很大速度範圍內保持穩定，因此適用於重型汽車、高速列車、起重機械等場合[8]:111。
    • 風阻制軔：風阻制軔又稱為空氣動力制軔，這是一種特別為高速列車而設計的非粘著制軔方式，原理是在列車上設置可伸縮的制軔翼板，正常運行時翼板收進車身內部，緊急緊軔時向車身外伸出翼板，利用空氣阻力以彌補粘著制軔力不足，以達到增大減速度和縮短制軔距離的目的。
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    踏面制軔
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    碟式制軔
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    旋轉渦電流剎車
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    磁軌制軔
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    渦電流剎車
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    風阻制軔

軔機類型

  • 空氣軔機：是以壓縮空氣作為制動原動力，以改變壓縮空氣的壓強來操縱控制列車的制動，由美國企業家、工程師喬治·威斯汀豪斯於1872年發明。
  • 電氣軔機：電力車輛在動力運行時，利用制軔時將主電動機作為電機，使用此阻力作為制軔[8]:109。
  • 保安軔機：當總風缸播破裂，總風缸洩漏殆盡，軔機無法做動時，作為緊急緊軔用[8]:109。
  • 其他韌機：引擎韌機：將引擎與車輪直接連接，將出力軸旋轉力傳至引擎，利用旋轉所產生的摩擦阻力作為制軔[35]:120。排氣韌機：將引擎氣缸排氣管阻塞，使廢氣無法排出，讓引擎活塞上方產生阻力，達到減速效果[35]:120。手韌機：藉由旋轉韌機把手，使閘瓦制動車輪，一般用於車輛停留使用[8]:114。踏韌機：利用人體重量施於制動桿，使閘瓦制動車輪，一般用於車輛停留使用[8]:114。停留韌機：主要作為車輛停留使用之韌機[35]:114。

輔助排障器

為了保護車輪，避開石頭、木材等軌道上的障礙物，安裝於列車車頭轉向架框前端，一般皆會裝設輔助排障器[25]:27。

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    輔助排障器

牽引裝置

牽引裝置為支撐車體，將轉向架與車體連接[5]，使轉向架在過彎時可以平穩的通過，使車輛減少跳動[8]:81，一般裝於轉向架框的主樑上[39]。

相關條目

註釋

  1. ^ 雖然車輛長度較短，但又可比兩軸車長，車輛長度介於2軸車與普通車輛之間。

參考文獻

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